水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個問題

1、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個問題所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型的水 / 空氣熱泵機組的一種應(yīng)用方式。即 用水環(huán)路將小型的水 / 空氣熱泵機組并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個以回收建筑物內(nèi)部余 熱為主要特點的熱泵供暖、 供冷的空調(diào)系統(tǒng)。 20 世紀 80 年代初， 我國一些外商 投資的建筑中采用了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)， 由于這些工程顯出： 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng) 回收建筑物內(nèi)余熱的特有功能： 不像傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)那樣會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的當局 染；省掉或減少常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源設(shè)備和機房， 便于分戶計量和計費， 便于 安裝、管理等優(yōu)點。因此， 90 年代，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國得到廣泛的發(fā)展。 不僅在上海、 北京

2、、天津、廣州、深圳等大城市中一些工程采用它， 而且如佛山、 紹興、惠州、泉州等中、小城市也開始采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但是，應(yīng)用中仍 存在一定的盲目性。例如，在實際工程中往往忽略了該系統(tǒng)運行工程的復雜性， 忽略了系統(tǒng)運行能耗的影響因素， 這將會使系統(tǒng)運行的節(jié)能效果得不到可靠的保 證，有的工程實例中仍存在一些不合理之處； 在我國南方不需要采暖或供熱量很 小的工程中采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)等。之所以如此 ，除了設(shè)計經(jīng)驗不足之外， 更重要的缺乏對該系統(tǒng)的深入了解。 因此，為了我國更好地推廣和應(yīng)用水環(huán)熱泵 空調(diào)系統(tǒng)，有必要對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用中的幾個值得注意的問題再作 一下簡要的說明。1. 合理選擇

3、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用場所，充分體現(xiàn)出它的節(jié)能和環(huán)保效益眾所周知，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)余熱的系統(tǒng)， 它的節(jié)能效果和環(huán)保效益是與氣象條件、建筑特點及輔助熱泵形式（電鍋爐、燃煤鍋爐等）等因 素有關(guān)的。而我國地域遼闊、東西地區(qū)、南北地區(qū)氣象條件差異很大。各地實際 的建筑形式與特點也各不相同。 那么，在什么樣的場合里選用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng) 才能收到最佳的節(jié)能效果和環(huán)保效益。 這是我們應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)時， 首先 要注意的第一個問題。文獻資料（ 1）、（2）、（3）曾分析過這個問題，提出系統(tǒng)運行能耗的靜態(tài)分 析法和運行能耗的計算機動態(tài)分析法等。 據(jù)此，對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國哈爾 濱、北京、上

4、海、廣州四個城市氣象條件下不同負荷特點的建筑物中的運行能耗 進行了綜合分析， 初步得出了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國應(yīng)用的評價， 其實質(zhì)可定 性的概括為：（1）水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的水 / 空氣熱泵機組全年絕大部分時間按制冷工況運 行的場合，與使用風機盤管系統(tǒng)相比， 一般來說是不節(jié)能的， 相應(yīng)也無環(huán)保效益。 這是因為小型水 / 空氣熱泵機組的制冷系數(shù)（ cop 值）比大型的冷水機組要低， 通常，小型水、空氣熱泵機組供冷時 cop 值為 2.86-3.63 ；而螺桿式冷水機組一 般為 4.88-5.25 ，有的可高達 5.47-5.74 。離心式冷水機組一般為 5.00-5.88 ，有 的可高達 6.7

5、6 。因此，在我國南方一些城市（如廣州）不宜選用水環(huán)熱泵空調(diào) 系統(tǒng)。（2）在建筑物有余熱的條件下，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)按供熱工況運行時，才具 有節(jié)能和環(huán)保意義。 因此，在建筑物內(nèi)區(qū)有余熱， 外區(qū)需要用熱二者接近的場合，其節(jié)能效果才好， 而且這種情況持續(xù)的時間越長的地區(qū)， 越適合應(yīng)用水環(huán)熱泵空 調(diào)系統(tǒng)。（3）目前，建筑物內(nèi)部負荷不大，常規(guī)空調(diào)熱源為燃煤鍋爐，上海、北京是 較適合水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地區(qū)。（4）北方地區(qū)在建筑物內(nèi)區(qū)面積大，而內(nèi)區(qū)的內(nèi)部負荷又大（要求北方建筑 物內(nèi)余熱量要比南方同樣建筑內(nèi)的余熱量大） 的場合使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是十 分有利的，這是由于水空氣熱泵機組按熱泵工況運行時間（采暖期

6、） ，比南方地 區(qū)要長，因此，它更具有節(jié)能和環(huán)保意義， 但是，若建筑物內(nèi)無余熱或余熱很小， 遠遠滿足不了外區(qū)采暖所需的熱量時， 采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)， 勢必要用鍋爐的 高位能中熱環(huán)路中的循環(huán)水，變?yōu)榈蜏責嵩?，再由?/ 空氣熱泵機組消耗電能將 循環(huán)的低位熱提升到高位熱量， 向室內(nèi)采暖， 這種用能方式是十分不合理的。 這 種場合應(yīng)用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是毫無意義的，甚至比風機盤管系統(tǒng)的耗能要大。2. 向系統(tǒng)引入外部低溫熱源，拓寬水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍從上面的分析， 明確的告訴我們： 只有建筑物有大量余熱時， 通過水環(huán)熱泵 空調(diào)系統(tǒng)將建筑物內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到需要熱量的區(qū)域， 才能收到良好的節(jié)能效果和

7、環(huán)保效益。但是，目前我國各類建筑內(nèi)部余熱不大，建筑物的內(nèi)區(qū)面積又小。而 且，常規(guī)空調(diào)熱源又常為燃煤鍋爐。 由于這種情況制約了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我 國的應(yīng)用范圍。 解決這個問題的途徑， 就是由建筑物的外部引進低溫熱源， 以替 代建筑物內(nèi)的余熱量。太陽能、水（地表水、井水、河水等） 、土壤、空氣均可 作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的外部能源。可喜的是， 2000 年全國暖通空調(diào)制冷年會上已有“太陽能水環(huán)熱泵空調(diào)系 統(tǒng)在我國應(yīng)用的預測分析” 、“水環(huán)熱泵與未利用能” 等論文中都論述了這個問題。 提出用太陽能、 礦井水、 冷卻循環(huán)水作為低溫熱源的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。 大連電 力大廈的設(shè)計是采用該地區(qū)熱電廠冷卻水作

8、為外部的低位熱源的水環(huán)熱空調(diào)系 統(tǒng)。最近，我們提出一種空氣 /水熱泵與水 /空氣熱泵耦合雙級熱泵供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)，用空氣源熱泵冷熱水機組制備10 C -20 C低溫水，通過水環(huán)路 送至室內(nèi)各個水 /空氣熱泵機組中，水 / 空氣熱泵再從水中汲取熱量，直接加熱室 內(nèi)空氣，以達供暖目的，其系統(tǒng)的主要特點有：（1 ）系統(tǒng)與傳統(tǒng)的供暖模式相比，它是一種仿效自然生態(tài)過程物質(zhì)循環(huán)模式 的部分熱量循環(huán)的供暖方式。 使用這種新系統(tǒng)可實現(xiàn)能源、 供暖和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā) 展。傳統(tǒng)的供暖模式是一種“熱源消耗高位能、向建筑物室內(nèi)提供低溫的熱量、 向環(huán)境排放廢物（如廢熱、廢氣、廢渣等） ”的單向性的供熱模式。隨著人

9、們生 活水平的提高， 人們對建筑供暖的要求愈來愈高， 使建筑物能耗急劇增長， 也愈 來愈嚴重造成了對環(huán)境的污染。 因此，人們開始認識到現(xiàn)有的這種單向性的供暖 模式在 21 世紀里已無法持續(xù)下去，而應(yīng)當研究替代它的新系統(tǒng)2）建筑熱損失散失到室外大氣中，又作為空氣源熱泵的低溫熱源使用了， 這樣，可以使建筑供暖節(jié)約了部分高位能， 同時， 也不會使城市中的室外大氣溫 度降低得比市郊區(qū)的溫度還低，從而減輕了建筑物排熱對環(huán)境的影響。（3）空氣源熱泵冷熱水機組由正常提供 50 C熱水改為向用戶提供10 C -20 C 的水，以此來解決機組在寒冷地區(qū)運行時壓縮比過大的問題。（ 4）通過水 / 空氣熱泵直接加熱

10、室內(nèi)空氣， 以減少熱量在輸送轉(zhuǎn)換過程中的熱 損失。3. 采暖混合系統(tǒng)，進一步提高水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果和環(huán)保效益上面已經(jīng)指明，小型水 / 空氣熱泵機組的制冷性能系數(shù)（ cop 值）遠小于大 型冷水機組的 cop 值。若建筑物內(nèi)區(qū)較大，全年要求供冷的話，這意味著內(nèi)區(qū) 的水/空氣熱泵機組將全年按制冷工況運行。如何提高這部分系統(tǒng)的供冷的經(jīng)濟 性是設(shè)計中值得注意的問題資料（ 7）提出混合系統(tǒng)。 所謂混合系統(tǒng)是指水 / 空氣熱泵機組同其他空調(diào)設(shè) 備（如冷水機組、單元柜式空調(diào)機等）共同組合而成為全新的空調(diào)系統(tǒng)。離心式冷水機組的水環(huán)熱泵混合系統(tǒng)對于固定的或大量的冷負荷場所 （如大 型辦公樓的內(nèi)區(qū)） 選用

11、大型離心式冷水機組進行全年供冷， 這樣提高了系統(tǒng)供冷 時的效率，使系統(tǒng)供冷時比小型水 / 空氣機組供冷時節(jié)約大量的運行能耗，從而 使整個系統(tǒng)更有節(jié)能和環(huán)保意義。 而對于既有冷負荷又有熱負荷的周邊區(qū)， 設(shè)置 水源熱泵系統(tǒng)夏季供冷， 冬季供暖。 系統(tǒng)在冬季運行時， 大型離心式冷水機組的 冷凝熱排入水環(huán)熱泵的水環(huán)路中，作為周邊區(qū)水 / 空氣熱泵的低溫供暖源，保持 了水熱泵空調(diào)系統(tǒng)回收建筑物內(nèi)余熱的基本特點。 從而節(jié)省了周邊區(qū)供暖的高位 能。同樣，為了提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性， 在建筑物內(nèi)區(qū)設(shè)置單元式空調(diào)機組 （水 冷），向內(nèi)區(qū)供冷，而周邊區(qū)設(shè)置水 / 空氣熱泵機組，向周邊供冷或供熱，也是 一種值得注意的

12、混合系統(tǒng)形式。4. 正確設(shè)計水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)4.1 水 / 空氣熱泵機組容量的確定在確定建筑物內(nèi)各個區(qū)域（或每個房間）水 / 空氣熱泵機組容量之前，同中 央空調(diào)設(shè)計一樣，先計算建筑物供暖和供冷負荷，它是正確選擇室內(nèi)水/ 空氣熱泵容量大小的依據(jù)。選擇應(yīng)注意：（1）同一臺室內(nèi)水 / 空氣熱泵機組的容量（制冷量或制熱量）主要取決于蒸發(fā) 溫度和冷凝溫度等運行工況，而這些參數(shù)又受機組外部條件的制約。也就是說， 室內(nèi)水 /空氣熱泵機組制冷量（或制熱量）的大小是機組進風參數(shù)、水環(huán)路進水 溫度、機組水量等參數(shù)的函數(shù)。因此，設(shè)計時我們按實際運行中工況（實際設(shè)計 的室溫和環(huán)路進水溫度）來確定水 / 空氣熱泵機組的

13、容量。對樣本上給定的額定 制冷量和額定制熱量，要根據(jù)實際室溫和環(huán)路進水溫度等數(shù)據(jù)進行修正。（2）通常，將從室內(nèi)水 / 空氣熱泵機組的總制冷量中減去風機電動機的輸入功 率后的值稱為機組的計算凈制冷量。 機組的計算凈制冷量才是真正能消除室內(nèi)余 熱的部分3）選擇機組的型號和臺數(shù)時，對周邊區(qū)的房間來說，室內(nèi)水 / 空氣熱泵機組 應(yīng)同時能滿足冬、夏季設(shè)計工況下的要求。對內(nèi)區(qū)房間來說，水 / 空氣熱泵機組 僅按夏季設(shè)計工況選取。4.2 機組風道的設(shè)計室內(nèi)水 /空氣熱泵機組均為余壓型機組，因此，無論立式還是臥式機組且都 接有送風風管及送風口等， 將空氣送到被調(diào)房間人們居住、 工作的區(qū)域， 來創(chuàng)造 一個健康而

14、舒適的建筑環(huán)境，為達到此目的，設(shè)計水 / 空氣熱泵機組風管時，應(yīng)（ 1 ） 廠家的樣本常人出機外余壓值。也就是說， 樣本上提供的風量是與機外 余壓相關(guān)的。 因此，設(shè)計中要根據(jù)機組提供的機外余壓值的大小來設(shè)計機組風管 尺寸，否則將會影響機組的送風量。（2）一般來說，機組的機外余壓不大，因此，風道中風速不宜過大，一般為 2-3m/s 。機組風管多為低壓短風管。4.3 加熱設(shè)備建筑物周邊的水 / 空氣熱泵機組在冬季供熱工況運行時，機組從水環(huán)路中吸 取熱量，如果內(nèi)區(qū)的機組向環(huán)路釋放的熱量少于周邊區(qū)從環(huán)路吸取的熱量時， 環(huán) 路中的水溫將會下降，當水溫降至13 C時，就必須投入加熱設(shè)備，將熱量加給 水環(huán)路

15、。 為此，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)選用加熱設(shè)備。目前，加熱方式主要有兩種， 一是水的加熱設(shè)備將外部熱量加入循環(huán)管理中； 二是空氣電加熱器將外部熱量直接加入室內(nèi)循環(huán)空氣中。但有一點值得注意，用燃油（氣）鍋爐作為加熱設(shè)備時，其供水最低溫度為60 C,以防煙氣中水分在鍋爐的冷凝，而出現(xiàn)低溫腐蝕。為此，加熱設(shè)備要與閉式環(huán)路并聯(lián)， 通過調(diào)節(jié)閥使高溫的鍋爐水與環(huán)路回水進行混合， 以保證環(huán)路水溫不低于下限值。同時為了保證通過鍋爐的水量恒定不變， 而需要加一旁通管路。4.4 蓄熱水箱在水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中常設(shè)置低溫 （或高溫） 蓄熱水箱，以改善系統(tǒng)的運行 特性。這里應(yīng)該注意低溫蓄熱水箱和高溫蓄熱水箱的作用是完

16、全不同的。眾所周知， 典型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過水環(huán)路實現(xiàn)了熱量的空間轉(zhuǎn)移 （如 從內(nèi)區(qū)轉(zhuǎn)向周邊區(qū)） ，然而， 每時每刻內(nèi)需要轉(zhuǎn)移的熱量與周邊所需要的供熱量 之間很難平衡， 為此， 水環(huán)路可設(shè)置一個低溫蓄水箱， 這樣水系統(tǒng)又可實現(xiàn)了熱 量的時間上的轉(zhuǎn)移。 也就是說， 內(nèi)區(qū)制冷的機組向環(huán)路中釋放的冷凝熱與周邊區(qū) 制熱的機組從環(huán)路吸取的熱量可以在一天內(nèi)或更長的時間周期內(nèi)實現(xiàn)熱量的平 衡。從而，降低了冷卻塔和水加熱器的年耗能量。但是，冷卻塔和水加熱器的容 量不能減少，這是因為惡劣天氣的持續(xù)性往往又要求冷卻塔或水加熱器按最大負 荷運行。高溫蓄熱水箱設(shè)置的功能是夜間低谷期電能加熱水，以供白天用電高峰期用，而不能吸收建筑內(nèi)區(qū)的余熱量。高溫蓄熱水箱內(nèi)的水一般加到82 °C,甚至更高，因此， 高溫蓄水箱與環(huán)路并聯(lián)， 通過三通混合閥把環(huán)路水溫維持在所要求 的最低溫度。4.5 注意設(shè)計中的細節(jié)問題（1）補水與定壓問題（2）排水與放氣問題（3）風管的消與保溫問題（4）凝結(jié)水的排除問題等；5.結(jié)束語 采用